基岩就地14C测年及古地震潜在应用

尹金辉　杨　雪　郑勇刚

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京　100029)



基岩就地14C测年及古地震潜在应用

尹金辉杨雪郑勇刚

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029)

在陆地表面系统，14C主要通过宇宙射线与大气和暴露岩石2个明显不同的介质发生核反应产生。在大气中生成的14C，由此建立的14C测年方法已广泛应用于考古学和古环境及地球各圈层的相互作用等方面的研究，推动了相关学科的发展；在基岩中产生的就地(in situ)14C，随着加速器质谱计探测灵敏度的提升，就地14C对地表过程的研究潜力开始得到广泛认可和关注，也已成为解决一些地球科学问题的重要方法。文中简要介绍了就地14C的形成机制、产率值、实验方法的历史与现状以及使用宇宙成因核素研究基岩正断层活动性方面的最近进展。

暴露面测年宇宙成因核素就地成因14C正断层

0　引言

地震是造成社会损失最严重的自然灾害之一。对中国大陆内部的断裂而言，强震原地复发时间往往长达上千年到数千年，远远大于仪器记录地震的起始时间；因此，在强震预报和抗震减灾方面，古地震研究的作用就显得尤为迫切与重要(丁国瑜，1982; 冉勇康等，1999; 张培震等，2013)。然而，由于记录古地震事件的沉积地貌标志或断层有时很难识别，并且容易被后期作用改造，例如埋藏或者剥蚀(冉勇康等，2014)，这些沉积物中保存的古地震记录的完整性也日益受到关注(冉勇康等，2003; 刘静等，2007; 冉勇康等，2014)。 特别是在基岩区，由于经历过多期构造活动改造及强烈的侵蚀作用，缺乏合适的应变标志和沉积物记录。这也使得难以识别基岩区晚第四纪仍在活动的断层并正确评价其地震危险性。例如，龙门山断裂带上的古地震研究不足就是1个很好的事例，这是导致汶川地震前对该断裂带地震危险性判断失误的原因之一(Zhang，2013)。

在中国西北地区广泛发育已发生构造变形的各种河流阶地、洪积台地等地貌面(Dengetal.，1996)，如何准确获得这些晚更新世形成的地貌面的年龄一直是1个难题，开展就地14C测年研究有可能为解决这些难题提供新的技术支撑。

与其他众多的就地宇宙成因核素如10Be、26Al、36Cl、3He和21Ne 等相比较，对于测定3万a来的基岩暴露年龄，就地成因14C测年法有着其独特的优点。例如： 1)14C 的半衰期为5,730a，比10Be、26Al核素小2个数量级以上，因而岩石中的14C衰变相对很快，继承浓度很小，能比其他宇宙成因核素更快地达到饱和，超过2.5万a就地14C就开始饱和，因而，使用14C可以准确地测定较短暴露历史的地貌面，有助于获得短时间尺度的平均剥蚀速率，对具有短期暴露历史的地貌过程具有更准确的测定能力(Lal，1991)。2)就地成因14C测年具有更高的测量精度，精度可以优于5%，具有测量数百年前地貌面年代的能力(Liftonetal.，2001; Hippeetal.，2013)。3)它的产率比常用的10Be产率高，实验测定的14C:10Be=3.26±0.17(Reedyetal.，1994)。上述特性使得就地14C 测年更适合全新世含石英矿物的基岩正断层面测年研究(Lal，1991; Liftonetal.，2001)。

近10a来，随着技术的进步，就地14C测年在国际上已经得到了快速的发展；但是，在中国就地14C测年还没有得到良好的发展和应用，仍属于研究空白领域。 针对这种情况，本文简要介绍了就地14C测年方法，为今后基岩地区活动构造的研究提供了1种新的途径。

1　就地14C的形成机制和产率

当宇宙射线穿越大气层时，与大气中的氮核发生核反应生成14C，这部分14C可简称为大气14C，现已广泛用在考古和地球科学等领域的测年上(Libbyetal.，1949)。当宇宙射线到达地面时，宇宙射线和地表暴露岩石中的氧和硅等元素不断发生散裂反应产生就地14C(Julletal.，1998; Gosseetal.，2001)，μ介子诱导反应也产生部分就地14C(Heisingeretal.，2002)。少量就地14C还可以通过热中子与岩石中的14N、13C和17O，以及α粒子与11B反应生成(Zitoetal.，1980; Lal，1988; Kimetal.，2007)。非宇宙成因的14C在碳循环库中含量相对很低，因此在许多测年和示踪过程中可以忽略不计，只在特殊的情况下非宇宙成因14C才保存着显著的浓度。 例如在铀和钍富集的环境，可以使用非宇宙成因的14C来研究土壤的演变历史(Julletal.，1987)。

相比于大气14C，就地14C的产率非常小。例如： 在纬度高于60°距地表2km和5km高度的就地14C产率估计值是5×10-514C/(cm2·s) 和3×10-314C/(cm2·s)(Laletal.，2001)，大气14C的产生率则是214C/(cm2·s)(Libby，1952)。因此，在地表岩石中产生的就地14C占宇宙成因14C总数的比值 <0.1% 。

就地14C的产率受地磁场、取样高度和纬度等因素影响(Julletal.，1994; Gosseetal.，2001; Liftonetal.，2001)。在>60°N纬度的海平面产率估计是 (15.2±0.3)14C/(g quartz·a)(Duganetal.，2008)。 在其他不同纬度和高度下，依据一些换算模型可以计算就地14C的当地产率(Stone，2000)。

2　就地14C测年法历史和现状

在20世纪60年代，Pandow等(1960)观察到就地14C主要以CO的形式保存在岩石中，这个发现对分离提取就地14C是相当有利的，影响就地14C测年的1个严重问题是在提取过程中受到大气14C的干扰(大气中的14C浓度为10×101014C/g C)，但大气中CO的丰度很低(CO/CO2=4×10-4)。 利用14CO和14CO2的凝固点不同，使用冷冻技术可以很容易地分离14CO和14CO2(Cresswelletal.，1994)，这样提取的14CO组分主要来自就地14C，但是这种方法的不利因素是假定岩石中的14CO/14CO2的比例恒定(Laletal.，1994)。不同提取方法包括酸解(Laletal.，1994; Handwergeretal.，1999; Kimetal.，2007)、热解(Cresswell，1992)或燃烧(Julletal.，1989)等都尝试用来释放出全岩样品所含有的14CO和14CO2，测定就地14C年龄。

这个阶段建立的全岩样品就地14C的测年技术，实验流程相对简单，主要应用于星际样品的研究上，测量月球物质和陨石等地球外物质的地面居留年代(Goeletal.，1962; Fireman，1978; Brownetal.，1984)，取得了一定的成功(Julletal.，1998)。由于宇宙射线被地球大气或地磁场屏蔽而减小，在地球外物质的14C浓度比陆地岩石高得多(Laletal.，1967)，因此，可以更容易地检测到。然而在陆地硅酸盐中就地14C的浓度不仅比星际样品低2～3个数量级，还受到其他非就地来源14C如大气、有机物质和次生碳酸盐等污染物干扰，这些杂质气含量相当于或超过就地成因14C，使14C的提取非常困难。并且随着实验数据的积累，也发现就地成因的14CO和14CO2两者的比值存在变化(Laletal.，1994)。因而，从岩石或矿物中提取就地14C的测年方法发展缓慢。

经过近10a的探索，亚利桑那大学Lifton等(2001)开发了1套用于从硅酸盐矿物中提取就地14C的新流程。使用纯净的石英作为就地14C分析矿物，替代早期的全岩样品，Lifton方法解决了早期测量就地14C时遇到的本底不稳定和可重复性差的难题，避免了岩石中CO与CO2的比例变化问题，这些和其他改进显著增加了结果的再现性并获得了更低和更稳定的空白值(Liftonetal.，2001)。所获得的结果通常优于其他就地14C提取系统，能有效提取就地14C组分，分析精度好于2%，获得了相当不错的重复性。

作为就地14C的测年矿物，石英矿物有很多独特的性质，如： 石英中主要是由氧散裂后生成14C；石英高度耐风化并没有解理、裂隙，而且没有大气14C的污染；容易用HF/HNO3蚀刻来纯化；在地表极为常见；同时可与其他宇宙成因核素进行联合测量。Lifton改进的就地14C提取方法也是吸取早期从星际物质提取微量CO2的方法和分步燃烧法二者优点的基础上创立的(Des Marais，1978)，分析过程包含1个预加热步骤，结果表明，在500℃以下，加热石英样品可以抽掉大气14C。在提取过程中，为降低石英的熔点，向石英样品中加入偏硼酸锂(LiBO2)，使用普通电阻炉加热到1,100℃，就可以释放石英中保存的就地14C，所有生成的CO被氧化为CO2，经过一系列的纯化后，用不含14C的CO2将样品CO2稀释至1ml左右，减少体积测量的不确定性，CO2最终被转化为石墨，在加速器质谱仪上测量就地14C的年代(Liftonetal.，2001)。

Lifton方法取得了极大的成功，因而世界各地纷纷建立起类似的就地14C提取装置，就地14C测年法开始慢慢地普及起来，在过去10a间取得了显著的进步。Yokoyama等(2004)通过阶梯式的加热和使用混合载体气体(He-O2-CO-CO2)方式从石英中分离出就地14C，建立了14C随温度的释放曲线，揭示出60%的就地14C是在1,200℃以上的温度下释放出来的。Fülöp等(2010)在苏格兰大学环境研究中心(SUERC)建造了1个类似亚利桑那大学的提取系统，对流程也作了改进(Naysmithetal.，2004)。Pigati 等(2010b)改进了Lifton的设计并建造了1个价格便宜、体积微型的简化萃取系统，优化了实验流程以缩短就地14C提取所需要的时间，测量精度好于5%。Goehring等(2014)报道了拉蒙特-多尔蒂地球观测中心新建的就地14C提取系统的性能，对CRONUS-A样品的测量精度为5%，本底值为 (1.25±43)×10514C。Hippe等(2009)开发了另一种提取系统，使用电子轰击炉加热石英到1,550～1,600℃，这样不用助熔剂也可以熔化石英，直接用气体离子源的加速器质谱仪测量气体二氧化碳的14C/12C比值，省掉了合成石墨的环节，节省了时间和精力。最近对该系统做了进一步的优化，效率和重复性得到显著的提升。分离1个石英样品只需要2d，精度优于2%，已投入正常运行，成功测量了1个发生在意大利费莱特谷(Val Ferret)的公元1717年历史岩崩，14C的测年结果为 (228±45)a BP，校正后的日历年龄为公元 1780年，与历史年龄相当吻合，表明岩石14C现在可以测量短至几百年的暴露面年龄，成为今后地貌面年代测定的有力工具(Hippeetal.，2013)。

尽管石英作为提取就地14C的主要矿物，可以获得稳定和可靠的分析结果，但其他矿物如橄榄石、大理石也尝试过用于就地14C测年，取得了不错的结果(Handwergeretal.，1999; Pigatietal.，2010a)。

3　就地14C测年在基岩正断层暴露面上的潜在应用

宇宙成因核素已成为获取地貌过程、暴露年龄、侵蚀速率等的有力工具(Nishiizumietal.，1993)。过去10a，随着宇宙成因核素测年技术的快速发展，国外地震学家开始注意到地震持续活动剥露出的基岩断层面，特别是正断层基岩面，是获取古地震活动历史信息的1个重要载体，并取得了一系列的突破。

Zreda 等(1998)对美国蒙塔纳州Hebgen Lake地区的正断层暴露面进行了开拓性的研究，因为断层面为灰岩，研究者们只能采用宇宙成因36Cl从基岩断层崖提取古地震记录。随后不少学者又对灰岩正断层开展了类似的研究，宇宙成因36Cl大规模地应用在重建意大利、希腊和以色列等地单条正断层地震活动性的研究上(Mitchelletal.，2001; Benedettietal.，2003; Palumboetal.，2004; Schlagenhaufetal.，2010; Akçaretal.，2012)。其原理可以简单地理解为(图1，以36Cl测年为例)： 1)断层没有发生地震断错前，断层面被埋在地下，在宇宙成因辐射的作用下，在这些岩石中产生宇宙成因同位素(如14C、10Be、36Cl、21Ne 等)。 随着时间的增长，在产率(忽略地球磁场变化的影响)保持恒定，没有剥蚀时，核素浓度随样品埋深以指数曲线的形式下降(图1a)(Gosseetal.，2001; Grangeretal.，2001)。2) 一旦地震发生后，新暴露的断层面部分以更快的速度开始累计36Cl，因为与岩石相比，大气屏蔽宇宙射线的能力弱，因此，露出断层面部分的36Cl浓度是地震之前在地面下积累的36Cl和震后暴露在地面上累积的36Cl的总和(图1b)。3) 在1个正断层上大地震不断重复发生，较深部分的断层面不断被剥露出来，整个暴露断层面上的36Cl浓度剖面表现出由一系列的端点和由此分割开来的指数曲线组成。这些不连续端点反映了每次大地震破裂之间的边界，而2个不连续之间的垂直间隔提供了测量地震所产生的位移的条件(图1c，d)。因此，基于基岩断层面宇宙成因核素浓度随时间逐渐积累且与断层活动期次、位错量存在定量关系，各种宇宙成因同位素测年方法已被用于确定基岩断层的强震发生时间和期次、同震位移、活动速率(Zredaetal.，1998; Harringtonetal.，2000; Mitchelletal.，2001; Benedettietal.，2002; Hippolyteetal.，2009; Schlagenhaufetal.，2010; Akçaretal.，2012)，为获得断裂带中长期强震活动历史提供了新途径(Dunai，2010)。

图1　断层崖上的宇宙成因核素浓度与正断层分期活动导致的断层崖高度之间的定量关系(据Palumbo et al.，2004)Fig. 1　A quantitative relationship between the cosmogenic nuclide concentration and the height of normal fault scarp after the episodic movement(after Palumbo et al.，2004).a、b、c模拟了连续3次地震活动事件(Q1、Q2、Q3)，都是在断面垂直高度上发生4m垂直位错和恒定的复发周期；d表示在3次地震活动后断层停止活动；在断层平静期，生成了1个典型的地下宇宙成因核素浓度随埋深变化的曲线，这个曲线的形状保留在断层崖面上(随后的暴露面和之前的已经暴露的位置都以同样的核素浓度增长速率保持增长)

事实上，宇宙成因核素多种多样，如3He、21Ne、10Be、26Al、14C等，因而对应的测年方法也很多。古地震学家们可以根据基岩面的不同岩性选用不同的测试方法。例如，基岩面含石英(如砂岩、花岗岩、石英岩或流纹岩)时可以用14C、10Be和26A1测年(Nishiizumietal.，1991; Brineretal.，2014)；暴露面中含橄榄石或辉石时可以用3He和21Ne 测年(Kurzetal.，1990)；对于碳酸盐岩，除了应用36Cl外，也可以应用就地14C法测定(Handwergeretal.，1999)。大多数正断层面岩石中都含有丰富的石英矿物，而且10Be和14C均可从石英矿物中测量，被用于基岩正断层面的测年研究(Harringtonetal.，2000; Hippolyteetal.，2006; Kongetal.，2010)。可见，宇宙成因核素14C和10Be测年将具有更好的普适性。

另外，虽然10Be测年方法可以测量数千、乃至几百年前的地貌面的年代(Van Der Woerdetal.，1998; 顾兆炎等，2006)，但由于10Be测年误差及较低的生成速率，要区分出几百年间隔的地貌面期次仍然有很大的困难(Gosseetal.，2001)。现有基岩面的36Cl测年结果也表明，研究得到的强震发生时间的不确定性多为500～1,000a，同震位移的不确定性也达到25cm(Schlagenhaufetal.，2010)。因而，利用全新世以来含石英矿物的基岩正断层面10Be测年获取古地震事件序列的研究仍然会面临较多的困难。但是，在石英中就地14C的产率约为10Be的3倍(Reedyetal.，1994)，并且14C半衰期为5,730a，比10Be小2个数量级以上，14C的上述特性使得就地14C测年更适合全新世含石英矿物的基岩正断层面测年研究(Lal，1991; Liftonetal.，2001)。

由上可见，当前可以尝试使用就地14C测年法，开展全新世基岩正断层面古地震研究和建立断裂带上的强震复发时间模式，这将为中、长期地震危险性预测提供新的技术支撑。

4　结论

就地14C由于含量极低，早期提取很困难；最近的技术进步，已经克服了实验中的大多数障碍，发展迅速。随着不断探索，在不久的将来，就地14C测年技术将有近一步提高的可能性，为过去2.5万a以来地表过程、土壤动力学、地貌过程、暴露年龄、侵蚀速率、火山活动、古地震等研究发挥更大的作用。

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REVIEW ON IN-SITU COSMOGENIC14C DATING AND POTENTIAL APPLICATION IN PALEOEARTHQUAKE

YIN Jin-huiYANG XueZHENG Yong-gang

(StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China)

Over the last two decades，in-situ cosmogenic14C dating has become an import tool in Quaternary geology and is recognized to geoscientists because of its potential to provide information on exposure age and process rate estimates for geomorphic studies. The in-situ cosmogenic radiocarbon has a relatively short half-life(5730 yr)and is substantially more sensitive than all the other cosmogenic nuclides used so far. It is therefore particularly useful to determine surface-exposure ages of Holocene landforms and quantify erosion rates in rapidly denuding landscapes during the past few tens of thousands of years. Moreover，in situ14C is produced in quartz which is both highly resistant to weathering and common in nature，so it can be used in combination with other in-situ cosmogenic nuclides such as3He，10Be，21Ne，26Al，and36Cl to constrain complex exposure histories involving burial and/or erosion occurring over the past 25ka.

exposure age，cosmogenic nuclides，in-situ14C dating，normal fault

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.03.021

2015-04-17收稿，2015-10-23改回。

国家自然科学基金(41572196)、中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1417)、中国地震局地震行业科研专项(201308001)与地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2013A08)共同资助。

P597+.1

A

0253-4967(2016)03-0773-10

尹金辉，男，1969年生，2006年于中国地震局地质研究所获博士学位，构造地质学专业，研究员，主要从事地质灾害事件与第四纪地质年代学研究工作，电话： 010-62009015，E-mail: yjhdzs@ies.ac.cn。

The age and slip rate of Holocene normal fault have been undoubtedly a challenge for seismologists to be faced with as result from lack of appropriate late Quaternary sediment. Recently，the cosmogenic nuclides such as36Cl of preserved，seismically exhumed normal fault scarps were used to identify the last few major earthquakes and recover their ages and displacements through the modeling of the content of36Cl in the scarp rocks.

This paper mainly summarizes the development of in-situ14C dating，including its research history，production rate estimate，production mechanism，chemical behavior and experimental method. The potential application of in-situ14C dating to recovering past earthquakes，their timing，and the regularity of their recurrence for preserved，seismically exhumed normal fault scarps is also introduced.